基于CRNN模型的中文場景文字識別

辜雙佳 栗智

摘??要：中文場景文字識別（STR）是光學(xué)字符識別（OCR）技術(shù)的重要研究方向，在拍照翻譯、無人駕駛等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但是，中文場景下的文字面臨著字體和字符種類多、文字背景復(fù)雜等問題。本文著眼于“中國街景”圖像，基于CRNN模型提出了一種免分割、端到端的中文場景文字識別方法。首先CNN提取圖像卷積特征，然后RNN進(jìn)行序列特征預(yù)測，其中Bi-GRU有效抑制梯度消失或梯度爆炸，Dropout可以防止過擬合，最后引入CTC作為損失函數(shù)解決訓(xùn)練時字符無法對齊的問題。本文用Python實(shí)現(xiàn)了算法，以較好的效果完成了實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：中文OCR;CRNN;免分割;端到端;中國街景

Chinese?Scene?Text?Recognition?based?on?CRNN?model

Gu?Shuangjia1?Li?Zhi21.School?of?Computer?Science?and?Engineering，?Chongqing?University?of?Technology??Chongqing400054?2.School?of?Computer?Science，?Chongqing?UniversityChongqing???400044

Abstract：?Chinese?scene?character?recognition?（STR）?is?an?important?research?direction?of?optical?character?recognition?（OCR）?technology，?which?is?widely?used?in?the?fields?of?photo?translation?and?unmanned?driving.?However，?the?characters?in?Chinese?scene?are?faced?with?many?problems，?such?as?many?types?of?fonts?and?characters，?complex?text?background?and?so?on.?This?paper?focuses?on?the?"Chinese?street?view"?image，?and?proposes?a?segmentation?free，?end-to-end?Chinese?scene?text?recognition?method?based?on?crnn?model.?Firstly，?CNN?extracts?image?convolution?features，?and?then?RNN?performs?sequence?feature?prediction.?Bi?Gru?can?effectively?suppress?gradient?disappearance?or?gradient?explosion，?dropout?can?prevent?over?fitting.?Finally，?CTC?is?introduced?as?a?loss?function?to?solve?the?problem?that?characters?cannot?be?aligned?during?training.?In?this?paper，?Python?is?used?to?implement?the?algorithm，?and?the?experiment?is?completed?with?good?effect.

Keywords：?Chinese?OCR;?CRNN;?No?split;?End-to-End;?Chinese?street?scene

緒論

背景及意義

圖像和視頻中的文字包含了豐富而精確的高層語言描述，準(zhǔn)確有效地提取這些文字信息在多媒體檢索、人機(jī)交互、機(jī)器人導(dǎo)航和工業(yè)自動化等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用[1]。中國是一個世界性的大國，中文字符種類繁多，有篆書、楷書、行書等多種字體，如圖1所示。

目前CVPR、ICCV、ECCV?等國際頂級會議，已將場景文字檢測與識別列為其重要主題之一，場景文字檢測與識別技術(shù)廣泛運(yùn)用在圖片搜索和無人駕駛[2]等方面，是當(dāng)前研究的一個前沿課題。場景文字識別（STR，?Scene?Text?Recognition）是在各種復(fù)雜情況下將圖像輸入翻譯為自然語言輸出，需要包括文字檢測和文字識別兩個步驟，文字檢測即發(fā)現(xiàn)文字的位置和范圍，文字識別即將文字區(qū)域轉(zhuǎn)化為字符信息。如圖2所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，?場景文字的檢測和識別往往串聯(lián)在一起，能同時檢測到文字位置并對其進(jìn)行識別的方法被稱為“端到端”文字識別方法[3]。由于中文場景中存在背景干擾、字體模糊、遮擋等多種復(fù)雜情況，如圖4所示，中文場景文本識別面臨更多的挑戰(zhàn)。

近幾年，國內(nèi)外大量的專家學(xué)者們也關(guān)注到了這個方面。Wang[4]等最早提出用深度學(xué)習(xí)的方法實(shí)現(xiàn)文字檢測，用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對每一處滑動窗進(jìn)行分類。但這類方法算法復(fù)雜度高又不能夠完全實(shí)現(xiàn)端到端的訓(xùn)練和測試。Zhou等[5]提出支持多方向文字定位的EAST網(wǎng)絡(luò)，該方法可以檢測各個方向的文字，但是對較長文字檢測效果不佳，感受野不夠長。杜薇[6]等人在驗(yàn)證碼識別研究中指出字符分割有很明顯的弊端，如在文字重疊度高且文字結(jié)構(gòu)不規(guī)范時分割難度較大，準(zhǔn)確率低、效率低等問題。

研究內(nèi)容

綜上，本文立足于“中國街景”，基于CRNN模型對圖像進(jìn)行無分割、端到端的識別。CRNN并不像傳統(tǒng)的字符識別算法那樣對整行的字符串進(jìn)行分割后單字識別，而是直接整行循環(huán)卷積識別。這樣就大大提高了識別正確率[7]。同時，訓(xùn)練集的標(biāo)注也更加簡單，以行為單位進(jìn)行文字標(biāo)注[8]。

CRNN模型對街景圖像中不定長度的字符串進(jìn)行識別，該模型將整行文字作為一個文本單元，對圖像區(qū)域中的文字行進(jìn)行預(yù)測，返回文字行的內(nèi)容，直接端到端識別這個單元內(nèi)的文字序列。首先CNN提取圖像卷積特征，然后RNN進(jìn)一步預(yù)測圖像卷積特征中的序列特征，其中Bi-GRU有效抑制梯度消失或梯度爆炸，Dropout可以防止過擬合，最后引入CTC損失函數(shù)解決訓(xùn)練時字符無法對齊的問題。我們用Python實(shí)現(xiàn)了算法，在飛漿平臺上完成了實(shí)驗(yàn)，提交結(jié)果表明該模型具有良好的正確識別率。

CRNN模型

卷積循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CRNN，?Convolutional?Recurrent?Neural?Network）是一種新型的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將CNN、RNN和CTC三個模塊有機(jī)結(jié)合。CRNN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

其中卷積層CNN針對背景復(fù)雜的輸入圖像“母嬰用品”，提取圖像卷積特征，得到特征圖（feature?map）。循環(huán)層RNN對CNN輸出的每一幀特征序列進(jìn)行預(yù)測，其中Bi-GRU有效抑制梯度消失或梯度爆炸，Dropout可以防止過擬合，RNN輸出未對齊的預(yù)測標(biāo)簽序列“母-嬰嬰-用用用-品”。最后經(jīng)過損失函數(shù)CTC獲取最大概率，對齊字符并輸出標(biāo)簽序列“母嬰用品”。

CNN

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN，?Convolutional?Neural?Network）是第一個多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的算法，具有很強(qiáng)的魯棒性和抗干擾性。CNN由輸入層、卷積層、激活層、池化層、全連接層以及輸出層構(gòu)成[9]。

（1）卷積層。CNN的核心，用于提取特征，卷積核對圖像像素進(jìn)行卷積，計(jì)算卷積核和圖像像素之間的點(diǎn)積產(chǎn)生輸出特征圖[10]。

（2）激活層。CRNN采取了ReLu函數(shù)作為激活函數(shù)。ReLu函數(shù)具有寬的激活區(qū)域，

并且單側(cè)移植，稀疏激活，緩解網(wǎng)絡(luò)的過擬合[11]。

（3）池化層。池化層進(jìn)一步細(xì)化特征，保留主要特征，舍棄冗余特征。CRNN采取了最大值池化，它用大小為?2*2?的矩陣傳遞擁有最多特定屬性的像素[12]。

（4）全連接層。全連接層內(nèi)的每一個神經(jīng)元都與之前層每一個神經(jīng)元相連可以接收

到之前層所有的局部信息。

本模型中，輸入圖像為（Height，Width，Channel），其中Height=48，Channel=3。CNN提取輸入圖像的卷積特征圖，維度從3維擴(kuò)充到512維，維度增加有利于表達(dá)特征。

RNN

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN，?Recurrent?Neural?Network）能夠訪問上下文信息，因此適合序列標(biāo)記任務(wù)[13]，廣泛應(yīng)用于自然語言處理（NLP）中。對于本文要解決的中文場景文字識別問題，RNN能夠解決了不定長度中文文字識別的問題。

Bi-GRU。門控循環(huán)單元（GRU，?Gated?Recurrent?Unit）能夠有效捕捉長序列之間的語義關(guān)聯(lián)，緩解梯度消失或梯度爆炸現(xiàn)象。GRU的核心結(jié)構(gòu)分為兩個部分：更新門和重置門。雙向門控循環(huán)單元（Bi-GRU，?Bi-directional?Gated?Recurrent?Unit）在隱藏層引入額外的一層神經(jīng)單元，保證了同時處理上下文的能力。本文使用了Bi-GRU模型，在捕捉長序列語義關(guān)聯(lián)時，?能有效抑制梯度消失或爆炸。

Dropout

Dropout是Hinton[14]提出的，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型時，如果訓(xùn)練樣本較少，容易出現(xiàn)過擬合，Dropout可以暫時移除神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的單元，進(jìn)而防止過擬合。圖8為沒有用Dropout的標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用了Dropout的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

CTC模型。連接時序分類（Connectionist?Temporal?Classification，?CTC）也叫連結(jié)主義時間分類，用來解決輸入序列和輸出序列難以一一對應(yīng)的問題。CTC將循環(huán)層輸出的每幀預(yù)測結(jié)果概率值轉(zhuǎn)換成標(biāo)簽序列進(jìn)行輸出，使得輸入序列和輸出序列對齊。數(shù)學(xué)模型上，CTC可以看作根據(jù)輸入的每幀預(yù)測信息，尋找具有最高概率的標(biāo)簽序列進(jìn)行輸出[15]。CTC的損失函數(shù)[16]定義為：

實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)的“中國街景”圖像來自飛漿平臺，共33萬張圖片，其中21萬張圖片作為訓(xùn)練集，12萬張作為測試集。圖像經(jīng)過一些預(yù)處理，將文字區(qū)域利用仿射變化，等比映射為一張高為48像素的圖片。最終實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確率達(dá)到78.87%。

結(jié)語

本文立足于“中國街景”，基于CRNN模型進(jìn)行無分割、端到端的識別，將街景圖像中的整行不定長度的文字作為一個文本單元，對圖像區(qū)域中的文字行進(jìn)行預(yù)測，返回文字行的內(nèi)容。我們計(jì)劃下一步從參數(shù)上入手，進(jìn)一步提高正確識別率。

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作者簡介：辜雙佳（1994—??），女，漢族，重慶人，碩士，研究方向：信息安全、深度學(xué)習(xí)。